晉城區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣階段排出水對環(huán)境的影響研究

張 強，王紫襄，李明亮，周曉婷，夏 拓

（中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221008）

1 引言

煤層氣是由煤層生成并主要以吸附狀態(tài)儲集于煤層中的一種非常規(guī)天然氣，其主要成分是甲烷，煤礦俗稱為瓦斯。在煤層氣的開采過程中，需采取排水降壓以降低煤層中靜壓，這部分水量較大，而且持續(xù)時間較長，Rice和Fisher統(tǒng)計了美國多個地區(qū)單個煤層氣井平均產(chǎn)水量［1］，在美國煤層氣開采區(qū)，單井排水量為3.98～66.62m3／d，總氣水比值為5.75m3／103m3，“十二五”規(guī)劃我國煤層氣地面井產(chǎn)氣量160億m3，每開采1000m3的煤層氣排水量按照5.75m3計算，則煤層氣開采排水量將高達0.92億m3／年。

本文通過對沁水盆地的水樣進行化驗，對其可能造成的環(huán)境影響進行了相關(guān)研究。

2 水質(zhì)分析

2.1 物理分析

經(jīng)過對寺河、潘莊、樊莊等地的煤層氣井排出水的水質(zhì)分析和資料收集，水質(zhì)物理分析結(jié)果見表1。

由表1可見，晉城區(qū)各煤層氣井排出水的物理性質(zhì)差別不大，多為無色透明狀，無渾濁物，個別水質(zhì)有少量懸浮物，口味為微咸或無味。

表1 晉城區(qū)水質(zhì)物理分析結(jié)果

2.2 化學(xué)分析

經(jīng)過對SHX104－1、PZP01－1、FZ－001、FZ006煤層氣井排出水做的水樣分析和資料收集，可以發(fā)現(xiàn)其中有K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋、NH＋4、Cl－、F、SO2－4、HCO－3、CO2－3、NO－3、NO－2、OH－等離子，其中K＋、Na＋占到陽離子總量的92%～96%，其次為Ca2＋、Mg2＋，含微量Fe2＋、Fe3＋、NH＋4，陰離子以HCO－3為主，約占陰離子總量的85%～90%，其次為Cl－，再次為SO2－4、CO2－3，其中PZP01－1井含有F－，重金屬離子中只對SHX104－1井做了Pb和Cu離子檢測，分別0.94mg／L、0.02mg／L，研究區(qū)產(chǎn)氣階段排出水的 pH值范圍為6～9，礦化度1500mg／L左右，總硬度較低，總體而言，采出水最明顯的特征是高礦化度、高鹽度。

3 排出水對環(huán)境的影響

3.1 對土壤及植物的影響

3.1.1 晉城地區(qū)土壤狀況

晉城地區(qū)土壤可分為8個土類，在布局上大體可分為4種類型：①宜牧土壤，分布于沁水的舜王坪和陽城的圣王坪；②宜林土壤，分布于沁水、陽城、陵川中山地帶；③宜農(nóng)、林、牧綜合利用的土壤，分布于沁河、丹河兩大水系之間的分水嶺和沁河以西，丹河以東的低山土丘及黃土丘陵地帶；④宜農(nóng)土壤，分布于沁河、丹河兩岸的一、二級階地和澤州盆地，是全市農(nóng)作物高產(chǎn)的主要土壤。

3.1.2 研究區(qū)氣候及降水條件

研究區(qū)屬暖溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受大陸性季風(fēng)影響強盛而持久，四季分明，冬長夏短，雨熱同季，四季之中，春季干燥多風(fēng)；夏季炎熱多雨，降水量年際變化大；秋季溫和涼爽，陰雨稍多；冬季寒冷雪少。降水量在624.6～180.8mm之間，年平均降水日數(shù)為90～98d。

3.1.3 影響土壤養(yǎng)分平衡

土壤養(yǎng)分含量高利于作物生長，增加產(chǎn)量，但也存在污染隱患，含量低則不能滿足作物需要，導(dǎo)致產(chǎn)量減少、地力虧損。土壤氮、磷、鉀含量的高低，不僅關(guān)系到作物產(chǎn)量的高與低，還直接關(guān)系到土壤結(jié)構(gòu)好與壞，供肥能力的強與弱。

氮素是土壤肥力中最活躍的因素之一，也是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個主要限制因子。研究區(qū)水樣中含有氨離子和硝酸態(tài)的氮，其中硝酸態(tài)的氮的積累是有害的，應(yīng)該引起注意。

鉀素是植物生長需要的僅次于氮素的重要元素。它可以促進葉綠素的合成，控制葉片上氣孔的開放，提高光合作用效率，而且是許多酶的活化劑，還可以增強作物的抗逆性能，改善作物品質(zhì)。水樣中K＋、Na＋占陽離子總量的92%～96%，K＋含量很高，長期排放可提高土壤中的鉀的含量。

長期排放煤層氣井采出水，基本沒有提高土壤耕層中磷素含量，而大大提高氮素、鉀素含量，為作物的良好生長奠定了基礎(chǔ)。不過，土壤硝態(tài)氮的累積，對土壤環(huán)境以及食品安全帶來了一定的威脅。

另一方面，土壤或水中某些特殊離子被植物吸收、聚積到一定程度時，也會引起作物損傷，一般情況下，當(dāng)某些離子隨著土壤水被作物吸收，又在水的蒸騰作用中在葉子上積累到足以損傷作物的程度時，就產(chǎn)生了毒害［2，3］。灌溉水中的毒性離子通常是氯離子和鈉離子，且含量都很高，氯很容易隨土壤水而移動，被作物吸收，然后隨蒸騰作用最終積聚在葉子上，當(dāng)葉子中的含氯量超過作物的耐受性，就產(chǎn)生了傷害癥狀，使葉子灼傷或葉組織干枯而壞死；鈉的典型毒性癥狀是葉子灼傷，枯黃和沿著葉子外緣的組織壞死，不同的是鈉的積聚達到毒性濃度需要一段時間（幾天或幾周），癥狀首先出現(xiàn)在老葉子上，從外緣開始，當(dāng)癥狀加重時，逐步地在葉脈間向葉子的中央發(fā)展。如果任其廢水大量長時間的排放入土壤中，將導(dǎo)致鈉和氯在土壤中的平均含量，最終被植物吸收，是植物本身的鈉和氯的含量上升，使植物發(fā)生毒變癥狀。

3.1.4 影響土壤容重

土壤容重對土壤的透氣性、持水能力、入滲性能、土壤抗侵蝕能力和溶質(zhì)遷移等方面都有著較大的影響。同時，土壤容重還是用來表征土壤肥力的重要指標(biāo)之一，它在一定程度上反映了土壤的松緊程度。土壤容重的變化會影響到土壤的孔隙狀況，因此可以改變土壤水分的入滲規(guī)律和養(yǎng)分運移的情況。有研究表明，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的不斷積累，同時也造成了土壤板結(jié)，土壤緊密化的現(xiàn)象，直接影響到了作物的生長和發(fā)育，同時影響土壤對環(huán)境的協(xié)調(diào)能力。

此外，研究區(qū)產(chǎn)氣階段排出水的礦化度在1500mg／L左右，總硬度較低，曾有前人以棉花為例進行生長期觀察，并證明，當(dāng)?shù)V化度達到1～2g／L時，棉花產(chǎn)量開始下降。隨礦化度增加，產(chǎn)量相應(yīng)減少，礦化度分別為：1～2、2～4、4～6g／L，減產(chǎn)率分別為4.5%、11.5%、31%，水稻比棉花的耐堿性差，所以礦化度較低時，開始出現(xiàn)產(chǎn)量減少的趨勢，表明高礦化度影響農(nóng)作物產(chǎn)量，使農(nóng)作物產(chǎn)量減少。同時，研究區(qū)如此高的礦化度的水如果長期排放入土壤，勢必會造成土壤的礦化度增高，導(dǎo)致的土壤積鹽、板結(jié)硬化，不利于土壤團粒結(jié)構(gòu)形成和養(yǎng)分活化積累，還使得土壤密實度增加，影響土壤根部的呼吸作用，導(dǎo)致植物根部腐爛壞死，最終導(dǎo)致植物死亡，這也是不容忽視的。

3.1.5 影響土壤重金屬含量

據(jù)研究，重金屬會使蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變性，植物細(xì)胞膜和里面都有蛋白質(zhì)，重金屬會使細(xì)胞發(fā)生病變，失去原有的活性，使植物生長受到嚴(yán)重影響［4］。某些過量的有害重金屬能與植物細(xì)胞原生質(zhì)中的蛋白質(zhì)結(jié)合，即便減少死亡細(xì)胞的含量，也能置換植物酶蛋白質(zhì)中的某些金屬元素，使酶的活性受到抑制，產(chǎn)生阻礙呼吸等系列代謝過程，影響植物生長。

根據(jù)資料，含銅污水灌溉農(nóng)田，其最高允許量應(yīng)在2.0mg／L左右，含鉛污水灌溉農(nóng)田，其最高允許量應(yīng)在1.0mg／L左右，通過對SHX104－1井做了Pb和Cu離子檢測，分別為0.94mg／L、0.02mg／L，皆未超過排放最高指標(biāo)，但是在少雨季節(jié)時，如果長期排放，勢必會增加土壤中原有的重金屬含量，打破原來的平衡，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物和植物造成嚴(yán)重的損害。例如土壤含銅過高時，可極顯著地降低蘋果葉片葉綠素含量。對于作物危害主要積累在根部，造成根系發(fā)育惡化，減弱了根對各種營養(yǎng)成分的吸收。并且危害的程度隨著超標(biāo)程度的增加而增大。

3.1.6 影響土壤pH 值

在眾多受關(guān)注的土壤理化性質(zhì)中，土壤pH值也是一個非常重要的指標(biāo)，酸性水使土壤酸化，能直接或間接地阻礙作物的生長發(fā)育，可使許多重金屬鹽類的溶解度增大，使土壤中有害金屬的毒性加劇，堿性水不僅可使土壤造成次生鹽堿化，并能使土壤板結(jié)，物理性狀惡化，影響作物生長。通常，受到煤層氣采出水灌溉的土壤與該區(qū)域沒有收到過煤層氣采出水灌溉的土壤相比具有較高的pH值，這正是受到煤層氣井采出水的影響。研究區(qū)產(chǎn)氣階段排出水的pH值范圍為6～9，偏于堿性，植物可接受的正常的pH值范圍是6.5～8.5，一方面，煤層氣采出水的pH值范圍為6～9，基本上在植物可以接受的范圍內(nèi)，另一方面排放水的pH值對土壤pH值的影響是十分緩慢的，所以煤層氣井采出水對植物的影響不大［5］。

3.2 對地下水的影響

3.2.1 沁水盆地南部地下水文特征

山西沁水盆地南部地區(qū)含水層主要為碳酸鹽巖、砂巖和松散沉積層，隔水層主要為泥質(zhì)巖類，某些地段特定層位的致密碳酸鹽巖也能起到一定阻水作用。含水層與隔水層形成完整的具有補給、徑流、排泄的地下水系統(tǒng)條件。其地層地下水富水程度相對較高，水質(zhì)類型以HCO3·SO4－Ca·Mg型為主，且隨含水層埋深增大，水化學(xué)類型由 HCO3·SO4－Ca·Mg型向SO4－Ca·Mg型轉(zhuǎn)化［6］。該地區(qū)地下水礦化度高達1500mg／L，且鹽度較高，總硬度相對較低。

3.2.2 煤層氣開采對地下水系統(tǒng)影響

煤層氣開采對地下巖溶水環(huán)境影響分為兩個方面，一方面是開采活動對地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流場的影響，沁水盆地煤系地層富水性弱，出水量較小。一般開采初期排水量較大，后期排水量逐漸減少。該區(qū)煤系地層深埋地下水，補給條件較差，煤層氣井排水將導(dǎo)致其周邊區(qū)域煤系地層地下水水位下降，長期的采氣排水施工也可能使斷裂帶附近地下水流場發(fā)生改變，使得越流補給煤系地層地下水的水量增加，但反補給的水量很有限，且隨著采氣排水的結(jié)束，煤系地層水位會逐漸恢復(fù)，補排關(guān)系將逐步恢復(fù)。另一方面與采區(qū)下伏巖溶水系統(tǒng)的發(fā)育狀況有關(guān)。由于地層巖溶發(fā)育程度不均，在不同區(qū)域巖溶水賦存的層位、富水性及水壓值等存在很大差異。

煤層氣開采也會使得煤系地層淺埋露頭區(qū)排泄量減少，局部補排關(guān)系發(fā)生變化；而且造成煤系地層裂隙承壓水向上越流量減少甚至逆轉(zhuǎn)，進而影響淺層地下水。

煤層氣的開發(fā)對巖溶地下水系統(tǒng)影響微弱，且影響是階段性的，隨著煤層氣井的關(guān)閉，影響將基本消除［7］。

3.2.3 煤層氣開采對地下水水質(zhì)的影響

由于研究區(qū)域的處理方式一般為注入到含水層，所以水質(zhì)的好壞直接影響到含水層的水質(zhì)，2011年10月4日在PZP01－1、SHX104－1等井出水口進行了采樣。監(jiān)測結(jié)果顯示煤層氣井抽采排水水質(zhì)，pH值8左右，礦化度較高達1500mg／L以上，水質(zhì)類型屬HCO－3K＋Na型，總硬 度 70mg／L 左 右，負(fù)硬 度 900mg／L～1500mg／L，為典型的煤系地層地下水水質(zhì)特征，排水水質(zhì)總體主要反應(yīng)礦化度較高，其他有害元素均未超過限制，水質(zhì)符合污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以對地下水水質(zhì)影響不大。

3.3 煤層氣井采出水處理方案分析

現(xiàn)有煤層氣井采出水的處理技術(shù)主要包括直接排入地表水體、修筑蓄水池并處理、注水到含水層和直接用于土壤灌溉系統(tǒng)［8］等處理方法，研究區(qū)域的處理方式一般為修筑蓄水池過濾后注入到含水層，此種方法對于晉城地區(qū)較為合理。

4 結(jié)語

（1）晉城區(qū)煤層氣井排出水有明顯的高礦化度和高鹽度，且排出水中的某些元素含量不很穩(wěn)定，在開采初期和中后期離子含量有很大變化，pH值和硬度一般不超過國家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）煤層氣井長期排放廢水會造成土壤積鹽、板結(jié)硬化，土壤緊密化的現(xiàn)象直接影響土壤生物和作物的生長發(fā)育，進而影響土壤對環(huán)境的協(xié)調(diào)能力，造成土壤污染，干旱季節(jié)也可能會造成土壤中重金屬的積累。

（3）煤層氣井排放廢水中鈉和氯的含量都較高，植物吸收后會發(fā)生毒變癥狀，水中重金屬長期在土壤中積累也會影響到植物的正常生長，土壤鹽堿化會嚴(yán)重減少植物根系的氧氣利用和根系周圍的通氣性，使耐鹽、鈉等一些外來物種逐漸占據(jù)優(yōu)勢，成為優(yōu)勢種。

（4）水中所含物質(zhì)大多無害，水質(zhì)符合污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此對地下水造成的影響不大，即使有微弱的影響，當(dāng)煤層氣井停止運營時，也會慢慢恢復(fù)常態(tài)。

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